碳纳米管接枝碳纤维复合材料界面力学性能及其本构关系

论文摘要

碳纤维复合材料力学性能与碳纤维和基体的界面粘结强度有很大关系,良好的界面结合能有效地传递载荷,从而提高材料的力学性能,但碳纤维表面呈惰性,比表面积小,表面能低等缺点导致材料界面层间剪切强度低,因此有必要通过某种途径改善其上述缺陷。目前,改善碳纤维表面缺陷的方法是对碳纤维表面进行表面改性处理,从而提高其界面力学性能。本文采用对碳纤维表面进行化学接枝的方法,得到了将碳纳米管接枝到碳纤维的跨尺度增强体复合材料。并以该复合材料为研究对象,对其进行微脱粘实验,得到最大层间剪切强度。利用分子模拟方法,分析了其界面微观分子结构对界面宏观力学性能的影响。同时在考虑碳纳米管对界面力学性能影响(纳米机械啮合作用)的基础上,建立了一种新型增强体复合材料的力学模型,并推导出了其本构关系,分析了界面处碳纤维拉伸应力分布以及层间剪应力分布。微脱粘实验结果表明,碳纳米管接枝碳纤维复合材料界面剪切强度为106.55MPa,比传统碳纤维复合材料增强50.36MPa。通过对碳纳米管接枝碳纤维复合材料微观分子结构的分析,可以得到碳纳米管的加入,使纤维与基体接触层厚度增加,以及提高了纤维与基体化学键合作用以及非键合作用,从而提高了碳纤维复合材料界面力学性能。通过对碳纳米管接枝碳纤维复合材料力学模型的分析,可以得到其最大层间剪切强度随碳纳米管的长度、直径、与碳纤维所成角度的增加而增大。通过对碳纳米管接枝碳纤维复合材料本构关系的分析,得到了纤维埋入基体部分碳纤维拉伸应力分布,以及界面处剪应力分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、目的及意义
• 1.2 碳纤维复合材料界面研究进展
• 1.3 碳纤维表面接枝碳纳米管技术的研究进展
• 1.4 复合材料界面剪切强度测试方法
• 1.4.1 微量冲击分析法
• 1.4.2 微脱粘法
• 1.4.3 单丝纤维复合材料断裂力学实验
• 1.4.4 单根纤维拔出实验
• 1.4.5 压出法
• 1.4.6 其他测试方法
• 1.5 复合材料界面理论模型以及纤维拔出模型研究进展
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 碳纳米管接枝碳纤维复合材料微脱粘测试
• 2.1 引言
• 2.2 单纤维微滴复合材料的制备
• 2.3 界面剪切强度（IFSS）测试
• 2.4 界面剪切强度（IFSS）测试结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 界面微观分子结构对材料力学性能的影响
• 3.1 分子模拟原理
• 3.1.1 分子力学模拟方法
• 3.1.2 分子动力学模拟方法
• 3.2 分子模拟软件介绍
• 3.3 跨尺度增强体模型的建立
• 3.4 跨尺度复合材料界面模型的建立
• 3.5 界面模型结构分析
• 3.5.1 界面接触层厚度分析
• 3.5.2 界面处碳纳米管形态结构变化
• 3.6 碳纳米管接枝碳纤维复合材料界面模型能量分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 碳纳米管接枝碳纤维复合材料界面本构关系
• 4.1 引言
• 4.2 力学模型的建立
• 4.3 碳纳米管接枝碳纤维复合材料本构关系
• 4.4 微脱粘试件界面处应力分布
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢